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PRÁCTICA 6
Transistor de unión
bipolar BJT.
Responsable de la Práctica:
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1. Objetivo.
Conocer las relaciones entre las corrientes de base, emisor y colector de un transistor bipolar.
2. Antecedentes.
2.1. Teoría básica.
Es aquel dispositivo electrónico que está constituido por tres materiales semiconductores
extrínseco, de forma PNP o NPN, es decir, porción de material N, seguido de material P, luego otra porción de material N, en el tipo NPN, y de forma análoga en el PNP, pero con los materiales semiconductores inversos. El transistor BJT se conoce también como transistor bipolar, porque la conducción es a través de huecos y electrones.
La zona central se denomina base, las otras dos se denominan colector y emisor. El emisor se construye estrecho y muy dopado, la base es estrecha y menos dopada y el colector es la zona más ancha. Para proteger el material semiconductor, se emplean el encapsulado, que puede ser plástico, de baquelita o metálico. A pesar de la poca disipación de energía que tienen los transistores en determinadas ocasiones es necesario el empleo de disipadores de calor para favorecer la ventilación del transistor.
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2.2. Trabajo previo.
Operación Básica de un BJT:
La región del emisor de tipo n excesivamente dopada tiene una densidad muy alta de electrones libres, como muestra la Figura 3. Estos electrones libres se difunden con facilidad a través de la unión BE polarizada en directa hacia la región de la base de tipo p muy delgada y levemente dopada. La base tiene una baja densidad de huecos, los cuales son los portadores mayoritarios, representados por los puntos blancos. Un pequeño porcentaje del número total de electrones libres se va hacia la base, donde se recombinan con huecos y se desplazan como electrones de valencia a través de la base hacia el emisor como corriente de huecos. Cuando los electrones que se recombinaron con huecos como electrones de valencia abandonan las estructura cristalina de la base, se transforman en electrones libres en el conductor de la base metálica y producen la corriente de base externa.
La mayoría de los electrones libres que entraron a la base no se recombinan con huecos porque es muy delgada. A medida que los electrones libres se desplazan hacia la unión BC polarizada en inversa, son arrastrados a través del colector por la atracción del voltaje de alimentación positivo del colector. Los electrones libres se desplazan a través del colector hacia el circuito externo y luego regresan al emisor junto con la corriente de base, como se indica. La corriente de emisor es un poco más grande que la corriente de colector debido a la pequeña corriente de base que se desprende de la corriente total inyectada a la base proveniente del emisor.
2.1. Corrientes en el transistor
Las direcciones de las corrientes en un transistor npn y su símbolo esquemático se muestran en la parte izquierda de la figura 4; las correspondientes a un transistor pnp se muestran a la derecha de la .gura 4. Observe que la .echa en el emisor en el interior de los símbolos de transistor apunta en la dirección de la corriente convencional. Estos diagramas muestran que la corriente de emisor IE es la suma de la corriente de colector IC y la corriente de base IB, expresada en la ecuación 1. IE = IC + IB
3.- Características y parámetros de un BJT
Cuando se conecta un transistor tanto tipo npn como pnp a voltajes de polarización de cd, como lo muestra la figura 5, VBB polariza en directa la unión base-emisor y VCC polariza en inversa la unión base-colector. Aunque para fines académicos se utilizan símbolos de batería distintos para representar los voltajes de polarización, en la práctica los voltajes a menudo provienen de una sola fuente de alimentación de cd. Por ejemplo, VCC normalmente se toma directamente de la salida de la fuente de alimentación y VBB (más pequeño) puede ser producido por un divisor de voltaje. 3.1. Beta en cd del transistor _CD
La ganancia de corriente de cd de un transistor es el cociente de la corriente de cd del colector (IC) entre la corriente de cd de la base (IB) y se expresa como beta de cd (_CD):_CD =ICIB(2) Los valores típicos de _CD van desde 20 hasta 200 o más, _CD normalmente se expresa como un parámetro híbrido (h) equivalente, hFE en hojas de datos de los transistores. En resumen se debe tomar en cuenta la siguiente: hFE = _CD (3)
3.2. Alfa en cd del transistor _CD
El cociente de la corriente de cd del colector (IC) entre la corriente de cd del emisor (IE) es el alfa de cd (_CD)._CD =ICIE
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En general, los valores de _CD van desde 0.95 hasta 0.99 o más, aunque _CD siempre es menor que 1. La razón es que IC siempre es un poco menor que IE en una cantidad de IB.
4. Análisis del circuito de un BJT
Observando el circuito de polarización básico de un BJT, como el mostrado en la Figura 6, se pueden idéntica 3 corrientes y 3 voltajes de CD:
Corrientes:
1. IB =) corriente de la base 2. IE =) corriente del emisor 3. IC =) corriente del colector Voltajes:
1. VBE =) voltaje base-emisor 2. VCE =) voltaje colector-emisor 3. VCB =) voltaje base-colector
La fuente VBB polariza en directa la unión base-emisor y la fuente de voltaje, VCC polariza en inversa la unión base colector. Cuando la unión base-emisor se polariza en directa, opera como un diodo polarizado en directa y la caída de voltaje con polarización en directa nominal es aproximadamente 0.7.
Como el emisor está conectado a tierra y de acuerdo con la ley del voltaje de Kirchho¤, el voltaje a través de RB es VRB = VBB � VBE, con lo que aplicando la ley de Ohm se Tiene VRB = IBRB y sustituyendo este valor por VRB se llega a la expresión para determinar IB:
Ahora analizando la malla restante se tienes que el voltaje en el colector respecto al emisor conectado a tierra es VCE =VCC - VRC , pero como VRC = ICRC, el voltaje en el emisor con respecto al colector será:
VCE = VCC -ICRC Donde IC = βCDIB.
Con los datos anteriores es posible calcular el voltaje a través de la unión base-colector con la siguiente expresión:
VCB = VCE – VBE
5. Corte y Saturación del BJT 5.1. Corte
El transistor se encuentra en la región de corte de su operación cuando IB = 0, como se muestra en la Figura 7, para que la corriente de base sea igual a cero la terminal de base del transistor debe estar abierta. En esta condición existe una cantidad muy pequeña de corriente de fuga en el colector, ICEO, pero al ser extremadamente pequeña por lo general se omite, de forma que VCE = VCC:
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Cuando la unión base-emisor se polariza en directa y la corriente en la base se incrementa, la corriente en el colector también lo hace (IC = βCDIB) y VCE se reduce a consecuencia de más caída a través del resistor del colector (VCE = VCC - ICRC) como se observa en la Figura 8.
Cuando VCE llega a su valor de saturación, VCE(sat), la unión base-colector se polariza en directa e IC ya no puede incrementarse más, incluso con un incremento continuo de IB. En el punto de saturación, la relación IC = βCDIB ya no es válida. VCE(sat) para un transistor normalmente es de sólo unos cuantos décimos de un volt.
6. El BJT como amplificador
En la configuración como amplificador de un transistor BJT se manipulan cantidades tanto de corriente directa como de corriente alterna, por lo que es de gran importancia conocer la notación de las corrientes y voltajes de ca y cd. Se utilizaran letras mayúsculas tanto para designar corrientes y voltajes de ca y cd, la diferencia radicará en los subíndices; para corriente directa se utilizaran subíndices en mayúscula por ejemplo IB; IE;IC y para corriente alterna serán subíndices en minúsculas por lo que tendremos Ib; Ie; Ic. Lo mismo aplica para el voltaje. Lo anterior se aplica tal cual cuando se desea identificarlos resistores del circuito externo del transistor, no así para los valores de resistencia interna, los cuales serán designados por una letra en minúscula acompañada de un apostrofe, por ejemplo la resistencia de ca interna en el emisor quedará como r’e
Un transistor ampli.ca corriente porque la corriente al colector es igual a la corriente en la base multiplicada por la ganancia de corriente, _. La corriente en la base en un transistor es muy pequeña comparada con las corrientes en el colector y emisor. Por eso, la corriente en el colector es aproximadamente igual a la corriente en el emisor. Examinando el circuito de la Figura 9 se superpone un voltaje de ca, Vs, sobre el voltaje de polarización de cd VBB mediante acoplamiento capacitivo, como se muestra. El voltaje de polarización de cd VCC se conecta al colector mediante el resistor RC. El voltaje de entrada de ca produce una corriente alterna en la base, lo cual produce una corriente alterna en el colector mucho más grande. La corriente alterna en el colector produce un voltaje de ca a través de RC, produciéndose así una reproducción amplificada, pero invertida, del voltaje de entrada de ca en la región activa de operación. La unión base-emisor polarizada en directa presenta una muy baja resistencia a la señal de ca. Esta resistencia interna de ca en el emisor se expresa como r’e en la Figura 9 y aparece en serie con RB. El voltaje de ca en la base es:
EL voltaje de caen el colector, Vc, es igual a la caída de voltaje de ca atraves de Rc.
Como , el voltaje de Ca en el colector es:
El voltaje de entrada en Vb = Vs - IbRB, donde Vs es el voltaje de la fuente. El voltaje de salida es Vc. La ganancia de voltaje se de.ne como el cociente del voltaje de salida entre el voltaje de entrada y es denotada como Av, de la siguiente forma.
Sustituyendo los valores de Vb y Vc por sus expresiones en corrientes , se tiene.
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7. El BJT como interruptor
La .gura 10 ilustra la operación básica de un BJT como dispositivo de conmutación. En la parte izquierda, el transistor está en la región de corte porque la unión base-emisor no está polarizada en directa. En esta condición, existe, idealmente, una abertura entre el colector y el emisor, como lo
Indica el equivalente de interruptor. En la parte derecha, el transistor está en la región de saturación porque la unión base-emisor y la unión base-colector están polarizadas en directa y la corriente en la base llega a ser lucientemente grande para provocar que la corriente en el colector alcance su valor de saturación. En esta condición, existe, idealmente, un corto entre el colector y el emisor, como lo indica el equivalente de interruptor.
7.1. Condición de corte
Un transistor está en la región de corte cuando la unión base-emisor no está polarizada en directa. Si se ignora la corriente de fuga, todas las corrientes son cero y VCE es igual a VCC.
VCE(corte)
7.2. Condición de saturación
Cuando la unión base-emisor está polarizada en directa y existe suficiente corriente en la base para producir una corriente máxima en el colector, el transistor está en saturación.
La fórmula para la corriente de saturación de colector es:
Puesto que VCE (sat) es muy pequeño comparado con VCC, casi siempre puede ser despreciado. El valor mínimo de la corriente en base requerida para producir saturación es:
Normalmente, IB debe ser significativamente más grande que IB(min) para garantizar que el transistor esté en saturación.
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3. Documentos relacionados con la práctica.
4. Definiciones y terminologías.
Transistor BJT:
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) GART es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja.Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS.
Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
Colector, de extensión mucho mayor.
5. Información estadística relacionada.
6. Equipos y materiales.
6.1 Material a utilizar:
5 transistores 2n2222
Resistencias (según lo que requiere cada práctica)
Potenciómetros
Fuentes de voltaje
6.2 Equipo a utilizar:
Osciloscopio
Multimetro
Protoboard
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7. Desarrollo de la práctica.
Desarrollo de la parte teórica:
1) Se leyó detenidamente las hojas de la teoría básica de los transistores BJT. 2) Se empezó a desarrollar los diagramas de teóricos de los transistores.
3) Comenzamos a resolver los problemas teóricos de acuerdo a la teoría básica que teníamos.
4) Comprobar los resultados obtenidos.
Desarrollo de la parte práctica:
1) Se leyó detenidamente las hojas de la parte práctica y ver que se requería para poder elaborarla.
2) Comenzamos a desarrollarlos primeramente en forma teórica para que al final poder comparar resultados con los medidos prácticamente.
3) Se empezaron a simular los circuitos en el simulador de circuitos “multisim”
4) Ya teniendo los circuitos simulados se empezaron a armar cada circuito en el protoboar:
Circuito 8.1.1. Características y parámetros de un BJT
1. Determinar la ganancia corriente de cd, βCD y la corriente de emisor IE para un transistor con IB = 50µA e IC = 3;65mA.
2. Cierto transistor tiene un βCD de 200. Cuando la corriente de base es de 50µA, determine la corriente de colector.
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Circuito 8.1.2. Análisis de un circuito BJT
1. Determinar IB; IE; IC; VBE; VCE y VCB en el circuito de la Figura 11. El transistor tiene una βCD = 150.
2. Determinar IB; IE; IC; VCE y VCB en el circuito de la Figura 11 con los siguientes valores RB = 22k; RC =200; VBB = 6V; VCC = 9V y βCD = 90:
Datos.
2.85
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Circuito 8.1.3. Corte y saturación del transistor
3. Determinar si el transistor de la Figura 12 se encuentra o no en saturación. Suponiendo que VCE (sat) = 200mV:
4. Determinar si el transistor de la Figura 12 está o no en saturación con los siguientes valores: βCD=125; VBB = 1;5V;RB = 6;8k;RC = 180 y VCC =12V: 0.0655 0.0147
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Circuito 8.1.4. BJT como amplificador
1. Determinar la ganancia de voltaje y el voltaje de salida de ca de la Figura 13 si r’e= 50.
2. ¿Qué valor adoptará RC en la Figura 13 para tener una ganancia de voltaje de 50.
´= Resistencia de Ca interna del emisor
Voltaje alterno Voltaje de Ca en la base
Voltaje de Ca en el colector
Como= , el voltaje 14 Ca en el colector
re´
Voltaje salida
Ganancia de Voltaje
considerando
re´= 50
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Circuito 8.1.5. BJT como interruptor
1. Para el circuito de la Figura 14:
a) ¿Cuál es el valor de VCE cuando VENT = 0V?
b) ¿Qué valor mínimo de IB se requiere para llevar saturación el transistor si βCD es de 200? Desprecie VCE (sat).
c) Calcular el valor máximo de RB cuando VENT =5V .
2. Determine el valor mínimo de IB requerido para llevar saturación el transistor de la figura 14 si βCD es de 125 y VCE (sat) es de 0.2 V.
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Para la parte práctica.
Circuito 8.2.1 Analisis de un circuito
1. Simular el circuito de la Figura 11 utilizando un transistor 2n2222.
2. Determinar analíticamente los valores de IB; IE; IC; VBE; VCE y VCB. El valor de βCD debe medirse en el transistor.
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) (100 )= 0.927
3. Realizar las mediciones de corrientes y voltajes en el simulador y compararlos con los valores analíticos obtenidos.
4. Construir el circuito simulado, realizar las mediciones correspondientes y comparar los resultados con los del simulador y los resultados analíticos. Anotar sus conclusiones.
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Circuito 8.2.2. Corte y saturación del transistor
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2. Determinar analíticamente si el transistor está o no en saturación. Los valores de βCD y VCE(sat) deben medirse en el transistor u obtenerse de la hoja de datos del mismo. saturado
3. Realice las mediciones correspondientes y comparar los resultados con los cálculos analíticos.
4. Construir el circuito simulado, realizar las mediciones necesarias y comparar los datos del simulador con los valores analíticos. Anotar sus conclusiones.
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Circuito 8.2.3. BJT como amplificador
1. Simular el circuito de la Figura 13 utilizando un transistor 2n2222, con Vs = 1V @1kHz; VBB = 5V; VCC =10V;RB = 100.
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2. Determinar analíticamente la ganancia de voltaje y el voltaje de salida de ca calculando r’e y midiendo los parámetros necesarios para realizar los cálculos.
3. Realizar la medición del voltaje de salida y compararlo con los resultados analíticos obtenidos.
4. Construir el circuito simulado, realizar la medición del voltaje de salida y
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Circuito 8.2.4. BJT como interruptor
1. El LED mostrado en el circuito de la Figura 15 requiere 30mA para emitir un nivel de luz suficiente, por lo que la corriente en el colector debe ser aproximadamente 30mA. Con los siguientes valores (VCC =9V; RC = 220;RB = 3;3k; VLED = 1;6V los valores de VCE(sat) y βCD deben obtenerse de la hoja de datos y de medir el transistor respectivamente) y utilizando un transistor 2n2222, determinar la amplitud de entrada de la onda cuadrada necesario para asegurarse que El transistor se vaya a saturación. Utilizar el doble de la corriente en la base como margen de seguridad para asegurar la saturación.
Con los valores calculador simular el circuito de la Figura 15 con un periodo de la señal cuadrada de 2 segundos.
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8. Guía para la solución de problemas.
1. Se recomienda que se analizen el datsheet del los transistores BJT para ver cuales son sus pines de conexcion, para asi poder conectarlo.
2. Analizar cual es Base, Emisor y Colector y asi poder conectarlos debidamente.
